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LABOR
PRAXIS

Risikoforschung a
Biologisches Gefahrenpotenzial von
Nanopartikeln untersucht

27.08.2019 | Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Nanopartikel haben aufgrund ihrer GrofSe und der damit verbundenen Fahigkeit
auch in menschliche Zellen eindringen zu konnen, grokes Potenzial fur
biomedizinische Anwendungen. Beispielsweise als Wirkstoffstransporter.
Gleichzeitig macht sie diese Fahigkeit potenziell gefahrlich, z.B. diskutiert im
Rahmen der Feinstaub-Debatte. Nun haben Dusseldorfer Forscher das biologische
Gefahrenpotenzial von Nanopartikeln untersucht.

Dusseldorf — Kohlenstoff-Nanopartikel
sind ein vielversprechendes Werkzeug
fur biomedizinische Anwendungen, etwa
fur den gezielten Wirkstofftransport in
Zellen. Ein Team aus Physik, Medizin
und Chemie der Heinrich-Heine-
Universitat Dusseldorf (HHU) hat nun
untersucht, ob diese Partikel fur den
Organismus potenziell gefahrlich sind,
beziehungsweise wie Zellen sich der
Teilchen wieder zu entledigen versuchen.
Die Ergebnisse der interdisziplinaren
Studie wurden jetzt in der Zeitschrift

Zwei CD34+-Stammzellen, in denen sich Kohlenstoff- Scientific Reports veroffentlicht.
Nanopartikel befinden (magenta gefarbt); in Blau sind die

Zellkerne zu sehen. Die Forscher stellten fest, dass die . :
Nanopartikel in den Lysosomen der Zelle eingeschlossen Nanopartikel: Was in der

ae Biomedizin von Vorteil ist bel
Bild: HHU / St Fasbend ‘ ‘
EG EGeORNGEs Feinstaub von Nachteil

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Unter Nanopartikeln versteht man solche Teilchen, die kleiner als funf Nanometer sind —
ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter — und damit die Grofe von
Makromolekulen haben. So kleine Teilchen werden sehr gut in Korperzellen
aufgenommen. Diese Eigenschaft hat zwei Aspekte. Zum einen kénnen Nanopartikel
damit gute Vehikel sein, um an sie geheftete Wirkstoffe gezielt in kranke Zellen zu
transportieren.

Zum anderen konnen sie aber auch gesundheitliche Risiken bergen, die beispielsweise im
Kontext mit Feinstaub diskutiert werden. Feinstaub entsteht unter anderem in
Verbrennungsprozessen, ein Anteil davon ist als Nanopartikel einzuordnen. Diese extrem
kleinen Teilchen kénnen die ,, Blut-Luft-Schranke“ tiberwinden und so in den Korper
eindringen: Die Bronchialschleimhaut in der Lunge filtert sie nicht heraus, sondern sie
gelangen bis in die Lungenblaschen und von dort ins Blut.

Wie entledigt sich der Korper der Nanopartikel?

HHU-ForscherInnen vom Institut fiir Experimentelle Festkorperphysik um Prof. Dr.
Thomas Heinzel und von der Klinik fur Hamatologie, Onkologie und Klinische
Immunologie um Prof. Dr. Rainer Haas haben zusammen mit Arbeitsgruppen aus der
Chemie nun untersucht, was passiert, wenn Korperzellen solche Nanopartikel
aufnehmen. Die Forscher nutzten Nanopartikel aus Graphen; dies ist eine spezielle Form
des Kohlenstoffs, der aus zweidimensionalen Lagen von Kohlenstoff-Sechseckringen
besteht.

Diese brachten sie in spezielle Stammzellen des blutbildenden Systems ein, die
sogenannten CD34*-Stammzellen. Diese Zellen sind aufgrund ihrer lebenslangen
Teilungsfahigkeit besonders empfanglich fur schadigende Umwelteinfluisse. Man geht
davon aus, dass bei diesen Zellen eine Schadigung durch Nanopartikel — wenn tiberhaupt
— starker ausfallt als bei den robusteren anderen Zelltypen.

Einkapselung der Nanopartikel macht sie (vorubergehend) unschadlich

Das interdisziplinare Dusseldorfer Forschungsteam konnte zeigen, dass die Kohlenstoff-
Nanopartikel in die Zellen gelangen und dort in speziellen Organellen, den sogenannten
Lysosomen, eingekapselt werden. Die Lysosomen dienen im Korper als eine Art
Entsorgungseinheit, in denen Fremdkorper angesammelt und normalerweise dann mit
Hilfe von Enzymen abgebaut werden. Einen solchen Abbauprozess beobachteten die
Forscher allerdings uber die Dauer der Experimente — einige Tage — nicht.

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Beim Vergleich der aktiven Gene (,,Genexpression“) von Stammzellen mit und ohne
Beigabe von Nanopartikeln ergab sich, dass lediglich eine von insgesamt 20.800
aufgezeichneten Expressionen verandert war; bei 1.171 weiteren Genexpressionen
konnten dariiber hinaus leichte Effekte festgestellt werden.

Prof. Heinzel zu den Ergebnissen: ,, Die Einkapslung der Nanopartikel in den Lysosomen
sorgt dafur, dass diese Teilchen zumindest fir einige Tage — solange unsere
Untersuchungen dauerten — sicher verwahrt sind und die Zelle nicht schadigen konnen.
Damit ist die Lebensfahigkeit der Zelle ohne wesentliche Anderung der Genexpression
erhalten.“ Diese Erkenntnis ist wichtig, wenn man Nanopartikel als Fahren fiir
Medikamente in die Zelle nutzen will. Langzeitaussagen, die etwa eine erhohte
Wahrscheinlichkeit fur eine Entartung der Zellen in Richtung Krebsentstehungen
feststellen konnen, sind in dem hier gewahlten experimentellen Rahmen nicht moglich.

Die Forschungen sind in enger Kooperation von Mathematisch-Naturwissenschaftlicher
und Medizinscher Fakultat mit dem Universitatsklinikum Dusseldorf erfolgt. Die
Dusseldorf School of Oncology (Leitung: Prof. Dr. Sebastian Wesselborg) forderte dabei
das Promotionsstipendium von Erstautor Stefan Fasbender. Dazu Prof. Haas: ,, Durch die
raumliche Nahe von Klinik und Universitat und deren enger inhaltlichen Verzahnung
bietet die HHU ein besonders fruchtbares Umfeld fir die Translationale Forschung, bei
der Erkenntnisse und Expertise der Grundlagenforschung mit flir die Behandlung
relevanten Aspekten zusammenflieen. “

Originalpublikation: Stefan Fasbender, Lisa Zimmermann, Ron-Patrick Cadeddu,
Martina Luysberg, Bastian Moll, Christoph Janiak, Thomas Heinzel & Rainer Haas: The
Low Toxicity of Graphene Quantum Dots is Reflected by Marginal Gene Expression
Changes of Primary Human Hematopoietic Stem Cells <https://www.nature.com/articles
/S41598-019-48567-6> , Scientific Reports (2019) 9:12028; DOI:
undefined10.1038/S41598-019-48567-6

(1D:46101847)

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